研究背景光子平带是指在动量空间中能量几乎不随波矢变化的光子能带，其群速度趋近于零。这种特性能够显著增强光与物质的相互作用在电子系统中，平带通过几何阻挫如Kagome、Lieb晶格或摩尔超晶格实现，带来强关联电子态和局域化现象。光子平带的实现思路与之类似，主要依赖晶格结构设计，例如耦合波导阵列、扭转双层光子晶体、应变诱导的赝磁场等。然而，这些方法通常需要复杂的大面积周期性结构，且平带模式与远场辐射的耦合效率低、调控困难，限制其实际应用。本文另辟蹊径，引入anapole模式——一种由电偶极和环形偶极相干相消形成的非辐射模式。该模式具有极强的场局域性和可调的辐射特性，为实现可远场激发的光子平带提供了理想平台。
研究内容研究团队首先在二维硅柱方晶格中计算能带结构，发现当电场主要局域在硅内部时，能带趋于平坦。通过定义局域因子C，C为硅内部电场占总的单胞电场的比例，发现高C值与小平带色散强相关。在特定参数下，能带中出现一个沿Y-Γ-X方向的平带，其电场分布呈现出典型的anapole特征，即电偶极ED与环形偶极TD共存且强度相近、相位相反，导致远场散射相互抵消，形成非辐射束缚态。进一步将结构扩展为三维,平带和anapole模式仍然保持，仅能量略有偏移。这说明基于anapole的平带对结构细节不敏感，具有良好的鲁棒性。原始的完美硅盘结构中的anapole模式因ED与TD完美相消，无法在远场透射谱中被激发。为了打破这种抵消，作者在硅盘中引入两个椭圆形空气孔，位置位于环形电流分布区域，从而选择性增强TD强度。优化后，TD强度达到ED的3.6倍，同时相位差略微偏离π，使得远场辐射不再完全相消。
创新点一本文首次实现基于anapole模式的光子平带：区别于传统的晶格阻挫或BIC，本文利用电磁anapole模式内在的强场局域性和辐射可调性，构建了覆盖宽动量范围的光子平带。这是anapole模式在平带工程中的首次应用。
创新点二是通过引入空气孔选择性增强环形偶极矩，打破了ED与TD的完美相消，使原本“不可见”的anapole平带能够在远场透射谱中被有效激发。这一思路为其他非辐射模式的远场利用提供了通用方法。
结论本文提出并实验验证了一种通过电磁anapole模式实现光子平带的新方法。研究发现，anapole模式因其独特的ED-TD相干相消特性，能够在简单晶格中形成强局域场分布，从而产生低色散平带。通过在硅盘中引入椭圆形空气孔，可以调控TD与ED的相对强度，使原本非辐射的anapole模式与远场有效耦合，同时保持平带特性。
启发方面传统平带设计依赖于扩展晶格的集体行为，而本文证明了通过单个元原子内部的共振模式anapole即可实现平带。这带来的启发是局域化程度足够高的模式天然具有平带属性，所以实现平带不仅仅可以通过调控晶格共振，可以通过设计调控模式间的共振。
文献来源: PHYSICAL REVIEW LETTERS
DOI: 10.1103/bzpw-7h2x
作者：Peiwen Ren,1,* Junrong Zheng ,1,* Zhuo Huang,1,* Yan Liu,1 Long Zhang,1 Hua Zhang,1 Jingwen Ma,2 Zhanghai Chen,1,† Jian-Feng Li ,1,‡ Jun Yi ,1,§ and Zhilin Yang
发表日期: 22 July 2025
报告人：喻志翔
